在現(xiàn)代機械制造業(yè)中，孔加工占所有機械加工的比重超過了1/3。長徑比（即孔深L和直徑D的比值L/D）大于5的孔稱為深孔，長徑比大于100的一般又稱超深孔，深孔加工過程中會遇到諸如導(dǎo)向、排屑、冷卻等問題的干擾，進而影響深孔的表面粗糙度和直線度誤差。
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國內(nèi)外學(xué)者對深孔直線度誤差進行了大量的理論和試驗研究，并得出了一些結(jié)論。Deng C.S.等研究了機床輔具對孔直線度的影響，得到了客觀的實驗結(jié)果；Richardson R.等對深孔鉆桿的導(dǎo)向條進行了研究，用試驗證明了導(dǎo)向條對直線度誤差的影響；Weinert K.等研究了加工參數(shù)和表面粗糙度的關(guān)系，指出了鉆桿振動對直線度誤差的影響。付康康等通過運用磁流變技術(shù)抑制鉆桿的振動以減小深孔直線度誤差；高本河等對孔軸線偏斜進行了分析，得出采取一些糾偏措施可改善深孔的直線度誤差的結(jié)論；李耀明等利用擠壓油膜的原理抑制鉆桿的振動，從而控制深孔直線度誤差。
以上學(xué)者對常規(guī)深孔的直線度誤差進行了一系列的研究，為減小深孔直線度誤差提供了理論和實踐支持。但是隨著各種具有特殊功能的零部件的設(shè)計與研發(fā)，對深孔的要求也朝著高長徑比、高直線度要求的方向發(fā)展。因此，對具有高精度和高長徑比等要求的深孔加工直線度誤差做進一步的研究具有現(xiàn)實意義，本文基于槍鉆系統(tǒng)對深孔加工直線度誤差進行分析和研究。
1 槍鉆工作原理
槍鉆加工系統(tǒng)主要由系列化的槍鉆、輸油器、排屑器、中心架等組成的輔具，配備特定控制系統(tǒng)的專業(yè)機床等組成。槍鉆加工系統(tǒng)的工作原理見圖1。槍鉆進入工件后，槍鉆獨特的結(jié)構(gòu)為鉆桿提供導(dǎo)向；切削液經(jīng)槍鉆內(nèi)部通道進入切削區(qū)域，對其進行冷卻潤滑；高壓切削液沖出的切屑通過槍鉆外部的V形槽經(jīng)由排屑器排出機床，切削液在過濾之后被循環(huán)利用，槍鉆系統(tǒng)屬于外排屑加工方式。
圖1 槍鉆工作原理
2 槍鉆深孔加工直線度誤差產(chǎn)生機理
由于機床、工裝、刀具的制造精度和剛度的局限，在深孔鉆加工中，特別是長徑比很大的超深孔加工中，深孔的直線度誤差被不斷放大，導(dǎo)致孔的超差和工件報廢?；跇屻@進行超深孔加工時的初始偏移量，導(dǎo)向套與槍鉆之間的間隙值，系統(tǒng)偏心三個方面對直線度誤差產(chǎn)生的機理進行理論分析與研究。
（1）初始偏移量
圖2為初始偏移量q0對深孔直線度的影響。由圖2可知，由于槍鉆刀具結(jié)構(gòu)自身特點，在開始切削時，槍鉆內(nèi)外刃切削力不對稱且大小不一致，同時，由于槍鉆的鉆桿支承剛性差，深孔加工初始階段會產(chǎn)生偏移量q0。即使初始偏移量q0很小，在進行超深孔等非常規(guī)孔的加工時，隨著加工過程的進行，初始偏移量q0被不斷放大，最終表現(xiàn)為槍鉆鉆頭的偏移量δ急劇增大。任意位置Zn處的深孔直線度偏斜量，Δl為槍鉆的單位進給量；θn-1為槍鉆鉆頭在Zn-1處的偏斜角。
由以上公式可以看出初始偏斜量q0對深孔軸線偏斜的作用呈現(xiàn)指數(shù)變化的影響趨勢。對于超深孔等非常規(guī)孔加工的后半段，伴隨著所加工深孔深度Z的增大，偏斜量的變化將越來越劇烈，深孔直線度將越來越差。
圖2 初始偏移量q0對深孔直線度的影響
（2） 配合間隙
圖3為導(dǎo)向套與槍鉆間隙值Δ示意圖。由圖可知，導(dǎo)向套孔徑比鉆頭直徑大Δ，槍鉆進入工件之前，導(dǎo)向套中心線和槍鉆鉆桿中心線重合。但是在鉆桿進入工件時，由于槍鉆結(jié)構(gòu)特殊性，外刃的徑向力大于內(nèi)刃，這一差值將鉆頭推往內(nèi)刃方向，從而鉆桿中心線O'與導(dǎo)向套中心線O偏斜微小角度θ，引起直線度誤差。在槍鉆鉆桿發(fā)生偏斜的情況下，ab的長度Lab∈（0，Δ），圖片，ac的長度Lac∈（0，l），圖片（l為導(dǎo)向套長度，k1、k2為常數(shù)，且k1>1，k2>1）。所以，圖片。
圖3 導(dǎo)向套與槍鉆間隙值Δ
由以上分析可知，當槍鉆鉆頭和導(dǎo)向套之間的間隙值Δ增大時，偏斜角θ增大，造成深孔軸線偏斜，導(dǎo)致鉆桿的轉(zhuǎn)矩過大，深孔的孔徑誤差和直線度誤差增大，影響加工精度。因此，間隙值Δ也不宜過大，一般導(dǎo)向套的公差設(shè)置要使其尺寸比槍鉆稍大0.005-0.01mm。
（3）系統(tǒng)偏心
由于導(dǎo)向套或主軸裝配等原因引起的系統(tǒng)裝配偏心，或由于工件因熱處理不充分等引起的材料不均勻，由切削力的不均勻產(chǎn)生的偏心，這些偏心因素的存在，在進行深孔加工時，都會使槍鉆鉆桿會因載荷的作用而產(chǎn)生偏斜。進行長徑比非常大的超深孔加工時，這些偏心所引起的鉆桿偏斜同樣會在加工后期得到無限的放大，導(dǎo)致深孔直線度超差。如圖4所示，當系統(tǒng)的偏心量為δB時，槍鉆鉆桿系統(tǒng)可以簡化為一端固定一端鉸支的梁模型，在軸向力FPx和徑向力FPy作用下，槍鉆鉆桿軸線發(fā)生偏斜。其中，F(xiàn)Px為鉆頭的軸向切削力，F(xiàn)Py為鉆頭徑向切削力，θn為任意位置鉆頭與槍鉆鉆桿中心線的夾角，en為鉆桿軸線任意位置的偏斜量，δB為系統(tǒng)偏心量，L為鉆桿總長，x，y為任意位置鉆桿的橫縱坐標值。
圖4 系統(tǒng)偏心引起的槍鉆鉆桿軸線偏斜的力學(xué)模型
系統(tǒng)的偏心量δB決定槍鉆鉆桿的軸線偏斜量。因此，提高槍鉆系統(tǒng)的裝配精度，減小各零部件的裝配偏心，提高零部件如導(dǎo)向套的制造裝配精度，降低系統(tǒng)的整體偏心，對于改善深孔軸線偏斜降低直線度誤差有一定作用。
4 改善深孔加工直線度誤差的方法
根據(jù)以上對深孔直線度誤差產(chǎn)生機理的研究，可以得出可采取的降低深孔直線度誤差的方法有：
①提高被加工工件的質(zhì)量，工件材料需要經(jīng)過充分的熱處理工藝，以減少由于殘余應(yīng)力等原因造成的切削力變化而引起的直線度誤差。工件表面需要進行預(yù)加工，避免因工件端面不平造成深孔偏斜所引起的深孔直線度誤差。
②選擇合理的刀具幾何角度，根據(jù)不同材料選擇不同的刀具角度，進而充分利用槍鉆的特點。對槍鉆進行刃磨時，應(yīng)使切削力平衡，盡量減少鉆桿的力矩。對導(dǎo)向條的刃磨，應(yīng)保證槍鉆的自導(dǎo)性這一根本前提，根據(jù)所加工工件的實際情況進行刃磨。
③提高導(dǎo)向套精度，包括導(dǎo)向套的制造精度和安裝精度，導(dǎo)向套對于槍鉆深孔加工有著至關(guān)重要的作用。對于一些長徑比大等非常規(guī)孔，導(dǎo)向套需要用與槍鉆鉆桿相同的硬質(zhì)合金材料制造，以保證導(dǎo)向套具有足夠的保持能力。其中，導(dǎo)向套與鉆桿的同軸度與偏心量，導(dǎo)向套與機床的配合精度，以及導(dǎo)向套與槍鉆鉆桿的間隙值，這些因素都對導(dǎo)向套產(chǎn)生作用有著決定性的作用。
④此外，切削用量的合理選擇，不同的加工情況選用不同的切削液及其入口壓力，減少外部振動對機床穩(wěn)定性的干擾等，對改善深孔直線度誤差也起著積極的作用。
5某軸承座超深孔試驗加工
某批支承輥軸承座的油氣回路為φ11mm×1260mm的孔，要求表面粗糙度Ra1.6μm，直線度誤差控制在1.0mm以內(nèi)，屬于超深孔加工的范疇（見圖5）。由于孔的長徑比達到了110以上，所以深孔鉆削難度較大。在鉆削超長孔時，隨著加工的進行，很小的偏斜量也會導(dǎo)致最終深孔軸線的累計偏斜量超差。本次試驗將從導(dǎo)向套的設(shè)計和制造裝配精度、槍鉆導(dǎo)向條刃磨方面對工件進行試驗加工。
圖5 軸承座深孔
試驗采用精準機械生產(chǎn)的DH1300槍鉆機床，該型號機床的加工孔徑為2-38mm，X、Y、Z軸的行程分別為1350mm、1000mm和1300mm，主軸最高轉(zhuǎn)速6000r/min，進給速度1-180mm/min。配備使用標準BOTEK-110型硬質(zhì)合金槍鉆，槍鉆切削刃各個角度如圖6所示。進給量f=0.025mm/r，轉(zhuǎn)速v=80m/min。
圖6 槍鉆切削刃角度
由于槍鉆特有的V形槽結(jié)構(gòu)，在槍鉆鉆頭尚未完全切入工件前，旋轉(zhuǎn)的槍鉆的質(zhì)心會偏向V形槽的對面。所以，在進行鉆套的設(shè)計時，嚴格控制了鉆套和鉆頭之間的間隙，鉆套的內(nèi)孔尺寸為圖片，以減少孔加工的入口偏差。如圖7所示，導(dǎo)向套整體采用組合式的結(jié)構(gòu)，由鉆套、定位套兩部分組成。
鉆套和定位套二者為過盈配合，以確保加工過程中它們之間不產(chǎn)生相對位移，同時保證導(dǎo)向套各部分的垂直度、同軸度等公差。在導(dǎo)向套的設(shè)計制造過程中，嚴格保證導(dǎo)向套各處的形狀與位置公差。進行導(dǎo)向套和槍鉆的安裝時，嚴格控制偏心量，以降低系統(tǒng)偏心，減小因系統(tǒng)偏心而導(dǎo)致的直線度誤差。
圖7 組合式導(dǎo)向套零件
用該槍鉆所加工出的深孔直線度誤差和表面粗糙度滿足技術(shù)要求，但直線度誤差分布不均勻，在很大的范圍內(nèi)波動。分析原因為此次用的槍鉆導(dǎo)向條布局接觸面積大，在加工中槍鉆導(dǎo)向條與工件孔內(nèi)壁的摩擦力大，鉆桿和工件間的切削熱增多，引起槍鉆的磨損加劇，影響槍鉆的加工性能。
因此，對槍鉆的導(dǎo)向條進行刃磨，保證槍鉆自導(dǎo)向功能的同時，降低導(dǎo)向條的面積。摩擦力和切削熱減少，槍鉆的磨損降低，使直線度誤差趨于穩(wěn)定。槍鉆導(dǎo)向條進行刃磨后，對該批次剩余的工件進行加工，測量結(jié)果顯示，直線度誤差雖因槍鉆正常磨損而小幅上升，但總體趨于穩(wěn)定。圖8為試驗現(xiàn)場，槍鉆鉆穿工件圖。圖9為導(dǎo)向條刃磨前后的直線度誤差測量值對比。
小結(jié)
介紹了深孔直線度誤差的研究現(xiàn)狀，從深孔加工時槍鉆的初始偏移量、導(dǎo)向套和槍鉆間隙和系統(tǒng)偏心三個方面對深孔直線度產(chǎn)生機理進行了研究。根據(jù)直線度產(chǎn)生機理的理論分析，提出改善和控制直線度誤差的可用方法。通過試驗驗證了利用具有高制造安裝精度和適宜間隙值的組合式導(dǎo)向套，對改善深孔直線度誤差起著重要的作用；在此基礎(chǔ)上在保證其自導(dǎo)向功能的前提下，對槍鉆導(dǎo)向條進行刃磨，減小導(dǎo)向條的面積，對減小深孔直線度誤差的波動有著一定的促進作用。
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來源：原載《工具技術(shù)》 作者：李衛(wèi)國
